(57)【要約】【課題】熱可塑性樹脂材から構成された２つの部材を溶着したときの溶着強度が高く、強度ばらつきの小さいレーザ溶着方法とレーザ溶着装置を提供する。【解決手段】レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材２と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材３とを接触させ、レーザ光で接触面４を溶融して接合する熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法は、第１の部材２と第２の部材３とを接触させ、２つの部材の少なくとも接触面４を、予加熱手段２０でその溶融温度より低い温度で予加熱し、接触面４にレーザ光発生器１０のレーザ光Ｒを第１の部材側から照射し２つの部材の少なくとも一方の接触面を溶融させたあと、溶融部を、後加熱手段２０Ａでその溶融温度より低い温度で後加熱して徐冷する。予加熱および後加熱は、２つの部材のガラス転移温度以上で加熱することが好ましい。【選択図】図１
2007111931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融して接合する熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法であって、
前記第１の部材と第２の部材とを接触させ、前記２つの部材の少なくとも接触面を、その溶融温度より低い温度で予加熱し、前記接触面に第１の部材側からレーザ光を照射し前記２つの部材の少なくとも一方の接触面を溶融させたあと、該溶融部を、その溶融温度より低い温度で後加熱することを特徴とする熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法。
【請求項２】
前記接触面の予加熱、および前記溶融部の後加熱は、前記２つの部材を収容する空間内を加熱してなされることを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法。
【請求項３】
前記接触面の予加熱、および前記溶融部の後加熱は、前記２つの部材に温風を吹付けてなされることを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法。
【請求項４】
前記接触面の予加熱、および前記溶融部の後加熱は、前記２つの部材の少なくとも一方の接触面に第１の部材側から予備レーザ光を照射して加熱することを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法。
【請求項５】
レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融して接合する熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法であって、
前記第１の部材と第２の部材とを接触させ、前記接触面に第１の部材側からレーザ光を照射し前記２つの部材の少なくとも一方の接触面を溶融させたあと、前記２つの部材の溶融部を、その溶融温度より低い温度で後加熱し、さらに該溶融部をより低い温度で後加熱することを特徴とする熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法。
【請求項６】
レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融して接合するレーザ溶着装置であって、
前記第１の部材と第２の部材との少なくとも接触面を、その溶融温度より低い温度で予加熱する予加熱手段と、前記第１の部材と第２の部材との接触面の少なくとも一方の接触面を第１の部材側からレーザ光を照射して溶融させるレーザ光発生手段と、溶融された接触面を、その溶融温度より低い温度で後加熱する後加熱手段とを備えることを特徴とする熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置。
【請求項７】
前記予加熱手段および後加熱手段は、前記第１の部材と第２の部材とを収容するケーシングを備えており、該ケーシング内の空間を加熱する加熱手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置。
【請求項８】
前記予加熱手段および後加熱手段は、前記第１の部材と第２の部材とを加熱する温風供給手段であることを特徴とする請求項６に記載の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置。
【請求項９】
レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材とを接触させ、レーザ光発生手段から発生したレーザ光を第１の部材側から照射して接触面の少なくとも一方の面を溶融して接合するレーザ溶着装置であって、
前記レーザ光発生手段は、前記接触面を、その溶融温度より低い温度で予加熱する第１の加熱手段と、前記接触面の少なくとも一方の接触面を溶融する第２の加熱手段と、前記接触面を、その溶融温度より低い温度で後加熱する第３の加熱手段とを有することを特徴とする熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置。
【請求項１０】
前記第１、第２、第３の加熱手段は、１つのレーザ光発生手段から発生されたレーザ光を分光し、主加熱手段を構成する第２の加熱手段はトップハット分布型の強度分布を有するレーザ光を発生し、第１および第３の加熱手段はガウシアン分布型の強度分布を有するレーザ光を発生することを特徴とする請求項９に記載の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置。
【請求項１１】
前記第１、第２、第３の加熱手段は、それぞれ別々のレーザ光発生手段から構成され、主加熱手段を構成する第２の加熱手段はトップハット分布型の強度分布を有するレーザ光を発生し、第１および第３の加熱手段はガウシアン分布型の強度分布を有するレーザ光を発生することを特徴とする請求項９に記載の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置。
【請求項１２】
前記第１、第２、第３の加熱手段は、それぞれ別々のレーザ光発生手段から構成され、主加熱手段を構成する第２の加熱手段から照射されるレーザ光は前記接触面と焦点が一致し、第１および第３の加熱手段から照射されるレーザ光は前記接触面と焦点が一致していないことを特徴とする請求項９に記載の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置。
【請求項１３】
レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融して接合するレーザ溶着装置であって、
前記第１の部材側からレーザ光を照射して第１の部材と第２の部材との接触面の少なくとも一方の接触面を溶融させるレーザ光発生手段と、
前記レーザ光発生手段を移動させると共に、発生されるレーザ光の焦点位置を調整する焦点調整移動手段とを備え、
前記レーザ光の焦点位置を調整して、前記接触面を加熱するエネルギー密度を調整することを特徴とする熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法およびレーザ溶着装置に係り、特に、レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される部材とを溶融して接合するレーザ溶着方法とレーザ溶着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車部品等、各種分野の部品の軽量化および低コスト化等の要求により、これらの部品を樹脂化して樹脂成形品とすることが頻繁に行われている。また、樹脂成形品が複雑な形状の場合、生産性を向上させるべく、樹脂成形品を予め複数に分割して成形し、これらの分割された成形品を互いに溶融して接合し、複雑な形状の樹脂成形品を形成することが行なわれている。
【０００３】
従来のこの種の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法として、例えば、特許文献１に記載の樹脂部材のレーザー溶着方法は、加熱源としてのレーザー光に対して透過性のある透過樹脂よりなる透過樹脂材と、レーザー光に対して透過性のない非透過樹脂材との当接界面を、透過樹脂材側からのレーザー光の照射により加熱溶融させて溶着し、透過樹脂材および非透過樹脂材の当接界面を形成する当接面部の少なくとも一方が加熱されて軟化し、かつ透過樹脂材および非透過樹脂材が圧接した状態でレーザー光が照射される。
【特許文献１】特開２００４−１８８８０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前記の樹脂部材のレーザー溶着方法は、両樹脂材の当接面の隙間が大きくなっても、当接面部をあらかじめ軟化させた状態でレーザー溶着を行うため、両樹脂材の当接界面の隙間を消失させた状態でレーザー光の照射を行うことができ、溶着不良の発生を抑えることができるが、例えば溶着部が冷却したときの結晶化度が不十分で不均一なことにより、溶着強度が不十分で、強度ばらつきが大きくなる問題点があった。また、溶着される部材を設置する環境要因の影響が大きいことによる溶着性能のばらつきを防止するためや、高融点を有する樹脂部材をレーザ溶着する場合には、設備コストの高い高出力レーザが必要であった。
【０００５】
このような問題点が発生する理由としては、溶着しようとする樹脂部品の構造的な熱容量により、部位ごとの冷却速度が異なり、結果として部位ごとの結晶化度が異なることが考えられる。そして、溶着しようとする樹脂部品が設置される設備周辺環境により冷却速度が変動するためと考えられる。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、熱可塑性樹脂部材から構成された２つの部材にレーザ光を照射して溶着したときの溶着強度が高く、強度ばらつきの小さい熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法およびレーザ溶着装置を提供することにある。また、環境要因の影響を受けにくく、構成が簡単であり、設備コストの低い低出力のレーザ光を用いて高融点の樹脂部材でも溶着性能を一定にできる熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成すべく、本発明に係る熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法は、レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融して接合する熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法であって、前記第１の部材と第２の部材とを接触させ、前記２つの部材の少なくとも接触面を、その溶融温度より低い温度で予加熱し、前記接触面に第１の部材側からレーザ光を照射し前記２つの部材の少なくとも一方の接触面を溶融させたあと、該溶融部を、その溶融温度より低い温度で後加熱することを特徴とする。予加熱や後加熱の温度は、熱可塑性樹脂の溶融温度より低いガラス転移温度以上の温度が好ましい。また、２つの部材を接触させるとき、密着させるように押圧することが好ましい。
【０００８】
前記のごとく構成された本発明の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法によれば、第１の部材と第２の部材とを接触させ、２つの部材の少なくとも接触面をあらかじめ予加熱し、接触面に第１の部材側からレーザ光を照射して２つの部材の少なくとも一方の部材の接触面を溶融させたあと、溶融部を後加熱するため、予加熱で温度変動を少なくでき、後加熱で接触面の溶融部が急冷せず、冷却速度のばらつきが少ない状態で下がり、結果として結晶化度を上げることができ、結晶化度を均一にできる。このため、溶着部の強度を向上させることができ、強度ばらつきを低減することができる。また、予め２つの部材を予加熱しているため、低出力レーザ光でも溶着強度のばらつきの少ない安定した溶着部を得ることができる。
【０００９】
また、本発明に係る熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法の好ましい具体的な態様としては、前記接触面の予加熱、および前記溶融部の後加熱は、前記２つの部材を収容する空間内を加熱してなされることを特徴としている。このように構成されたレーザ溶着方法では、２つの部材をケース等の空間内に収容し、この空間内をヒータ等で加熱して高温雰囲気とすることができ、２つの部材を所定の温度まで予加熱して部材の温度ばらつきを少なくできる。そして、レーザ光を照射して溶融させたあとの接触面の溶融部を後加熱し、急冷を防止して徐々に温度を下げることができるため、溶着部の結晶化度を均一に上げて強度向上を達成できると共に、強度ばらつきを低減することができる。すなわち、急冷すると溶融部が非晶質化するが、徐冷するため高結晶化が可能となる。
【００１０】
さらに、本発明に係る熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法の好ましい具体的な他の態様としては、前記接触面の予加熱、および前記溶融部の後加熱は、前記２つの部材に温風を吹付けてなされることを特徴としている。このように構成されたレーザ溶着方法では、２つの部材に温風を吹付けて加熱することで、所定の温度まで予加熱して温度ばらつきをなくし、接触面の溶融後に温風を吹付けて、溶融部の急冷を防止して徐々に温度を下げることができ、接触面の溶着部の結晶化度を均一に上げて強度向上を達成できると共に、強度ばらつきを低減することができる。
【００１１】
また、前記接触面の予加熱、および前記溶融部の後加熱は、前記２つの部材の少なくとも一方の接触面に第１の部材側から予備レーザ光を照射して加熱することが好ましい。特に、少なくとも一方の接触面を軟化させる程度に加熱すると好適である。このように構成されたレーザ溶着方法では、２つの部材の少なくとも一方の接触面を軟化させるように接触面に予備レーザ光を照射して加熱するため、２つの部材の形状等による温度変動を少なくすることができ、ついでレーザ光を照射して接触面の少なくとも一方の面を溶融したあと、予備レーザ光で溶融温度より低い温度で加熱するため緩やかに冷却することができる。この結果、溶着部の強度が高くなり、強度ばらつきを少なくすることができる。
【００１２】
本発明に係る熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法の他の態様としては、レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融して接合する熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法であって、前記第１の部材と第２の部材とを接触させ、前記接触面に第１の部材側からレーザ光を照射し前記２つの部材の少なくとも一方の接触面を溶融させたあと、前記２つの部材の溶融部を、その溶融温度より低い温度で後加熱し、さらに該溶融部をより低い温度で後加熱することを特徴としている。
【００１３】
このように構成されたレーザ溶着方法では、第１の部材と第２の部材の接触面に第１の部材側からレーザ光を照射し、２つの部材の少なくとも一方の接触面を溶融させて溶着したあと、溶着部を溶融温度より低い温度で後加熱し、さらに低い温度で後加熱するため、溶融部を徐冷して溶着部の結晶化度を均一に高めることができ、溶着強度ばらつきが低く、高い溶着強度を得ることができる。
【００１４】
本発明に係る熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置は、レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材とを接触させ、レーザ光発生手段から発生したレーザ光を第１の部材側から照射して接触面の少なくとも一方の面を溶融して接合するレーザ溶着装置であって、前記第１の部材と第２の部材との少なくとも接触面を、その溶融温度より低い温度で予加熱する予加熱手段と、前記第１の部材と第２の部材との接触面の少なくとも一方の接触面を第１の部材側からレーザ光を照射して溶融させるレーザ光発生手段と、溶融された接触面を、その溶融温度より低い温度で後加熱する後加熱手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
このように構成されたレーザ溶着装置によれば、第１の部材と第２の部材とを接触させ、２つの部材の少なくとも接触面を予加熱した後、２つの部材の少なくとも一方の面を溶融させるため、溶融状態が安定する。また、溶融後に溶融部を後加熱するため、溶融部が急激に冷却することがなく、徐々に冷却するため、溶着部の結晶化度を均一に高めることができ、溶着強度を向上できると共に、強度ばらつきを低減することができる。
【００１６】
前記の溶着装置において、予加熱手段および後加熱手段は、第１の部材と第２の部材とを収容するケーシングを備えており、該ケーシング内の空間を加熱する加熱手段を備えることが好ましい。この構成によれば、ヒータ等の加熱手段でケーシング内の空間を加熱して、予加熱および後加熱を行なうことができ、レーザ光で２つの部材の接触面を溶融する前に予加熱で各部材の温度変動を少なくでき、溶融状態を均一にすることができる。そして、溶融部を後加熱して急激な冷却を防止して徐冷できるため、結晶化度を均一に高めて溶着強度の向上と、強度ばらつきの低減を達成できる。
【００１７】
また、前記の溶着装置において、予加熱手段および後加熱手段は、第１の部材と第２の部材とを加熱する温風供給手段であることが好ましい。温風供給手段は、２つの部材を収容するケーシング内に吹付ける構成でもよい。第１の部材と第２の部材に温風を供給して加熱することで、第１の部材と第２の部材とを予加熱して所定の温度まで上昇させ、その後接着面の少なくとも一方の面を溶融して２つの部材を溶着し、さらにその後、溶融部を後加熱して徐冷するため、結晶化度を均一に高めて溶着強度を向上できると共に、強度ばらつきを低減することができる。
【００１８】
熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置の他の態様としては、レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材とを接触させ、レーザ光発生手段から照射したレーザ光で接触面を溶融して接合するレーザ溶着装置であって、前記レーザ光発生手段は、前記接触面を、その溶融温度より低い温度で予加熱する第１の加熱手段と、前記接触面の少なくとも一方の接触面を溶融する第２の加熱手段と、前記接触面を、その溶融温度より低い温度で後加熱する第３の加熱手段とを有することを特徴としている。３つの加熱手段は、接触面に投入されるエネルギー密度が異なっている。
【００１９】
このように構成された熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置は、エネルギー密度の低い第１の加熱手段で２つの部材の少なくとも接触面を予加熱して温度変動を少なくし、エネルギー密度の高い第２の加熱手段で接触面に少なくとも一方の面を溶融し、ついでエネルギー密度の低い第３の加熱手段で徐冷するため、溶着部の結晶化度を均一に高めて強度を向上できると共に、強度ばらつきを低減できる。また、第２の加熱手段で少なくとも一方の接触面を溶融させる前に、事前に予加熱するため、高出力レーザ光を用いなくても高融点の樹脂部材の溶着を行うことができる。
【００２０】
前記第１、第２、第３の加熱手段は、１つのレーザ光発生手段から発生されたレーザ光を分光し、主加熱手段を構成する第２の加熱手段はトップハット分布型の強度分布を有するレーザ光を発生し、第１および第３の加熱手段はガウシアン分布型の強度分布を有するレーザ光を発生することで、エネルギー密度を異ならせていることが好ましい。この構成によれば、１つのレーザ光発生手段を用いて予加熱し、ついで主加熱して接触面の少なくとも一方の面を溶融し、さらに、溶融部を後加熱して徐冷することができるため、溶着強度を高めることができ、強度ばらつきを低減できると共に、装置構成を簡略化できる。
【００２１】
前記第１、第２、第３の加熱手段は、それぞれ別々のレーザ光発生手段から構成され、主加熱手段を構成する第２の加熱手段はトップハット分布型の強度分布を有するレーザ光を発生し、第１および第３の加熱手段はガウシアン分布型の強度分布を有するレーザ光を発生することが好ましい。この構成によれば、エネルギー密度の低い第１、第３の加熱手段は、それぞれ予加熱手段、後加熱手段を構成し、エネルギー密度の高い第２の加熱手段で接触面の少なくとも一方の面を溶融するため、溶着強度を高めることができ、強度ばらつきを低減できる。また、予加熱手段や後加熱手段の出力をそれぞれ任意に設定することができ、２つの部材の形状に合わせて溶着部の状態を設定できる。
【００２２】
前記第１、第２、第３の加熱手段は、それぞれ別々のレーザ光発生手段から構成され、主加熱手段を構成する第２の加熱手段から照射されるレーザ光は前記接触面と焦点が一致し、第１および第３の加熱手段から照射されるレーザ光は前記接触面と焦点が一致していないことを特徴としている。この構成によれば、同じ出力の３つのレーザ光発生手段の焦点位置を調整することでエネルギー密度を変えることができ、予加熱、接触面の溶融、後加熱を行なうことができるため、溶着強度を向上させることができ、強度ばらつきを低減できる。
【００２３】
また、本発明に係る熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置の他の態様としては、レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材とを接触させ、レーザ光で接触面を溶融して接合するレーザ溶着装置であって、前記第１の部材側からレーザ光を照射して第１の部材と第２の部材との接触面の少なくとも一方の接触面を溶融させるレーザ光発生手段と、前記レーザ光発生手段を移動させると共に、発生されるレーザ光の焦点位置を調整する焦点調整移動手段とを備え、前記レーザ光の焦点位置を調整して、前記接触面を加熱するエネルギー密度を調整することを特徴としている。
【００２４】
このように構成されたレーザ溶着装置は、レーザ光発生手段から発生されるレーザ光の焦点を２つの部材の接触面に合わない状態で照射することで接触面を低いエネルギー密度で加熱するため接触面が溶融しない状態で予加熱することができ、温度変動を少なくできる。ついで、レーザ光の焦点を接触面にあわせて照射することで接触面を高いエネルギー密度で加熱して溶融することができる。さらに、レーザ光の焦点を接触面と合わない状態で照射することで接触面を低いエネルギー密度で加熱して後加熱するため、接触面の溶融部を徐冷し結晶化度を均一に高めることができ、溶着強度の向上と強度ばらつきの低減を達成できる。
【００２５】
本発明のレーザ溶着方法、レーザ溶着装置において、レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂として用いる樹脂の種類としては、熱可塑性を有し、加熱源としてのレーザ光を透過させうるものであれば特に限定されない。たとえば、ナイロン６（ＰＡ６）やナイロン６６（ＰＡ６６）等のポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン、ＡＢＳ、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等を挙げることができる。なお、必要に応じて、ガラス繊維、カーボン繊維等の補強繊維や着色材を添加したものを用いてもよい。レーザ光を透過するとは、レーザ光に対する透過率が好ましくは２０％以上、より好ましくは５０％以上、さらに好ましくは８０％以上、特に好ましくは９０％以上である。
【００２６】
レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂として用いる樹脂の種類としては、熱可塑性を有し、加熱源としてのレーザ光を透過させずに吸収しうるものであれば特に限定されない。たとえば、ナイロン６（ＰＡ６）やナイロン６６（ＰＡ６６）等のポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン、ＡＢＳ、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ＰＰＳ等に、カーボンブラック、染料や顔料等の所定の着色材を混入したものをあげることができる。なお、必要に応じて、ガラス繊維、カーボン繊維等の補強繊維を添加したものを用いてもよい。レーザ光を吸収するとは、レーザ光に対する透過率が好ましくは１０％以下、より好ましくは５％以下、さらに好ましくは１％以下である。
【００２７】
また、透過性熱可塑性樹脂材、吸収性熱可塑性樹脂材に用いる樹脂の組合せについては、互いに相溶性のあるもの同士の組合せであることが好ましい。このような組合せとしては、ナイロン６同士やナイロン６６同士等、同種の樹脂同士の組合せの他、ナイロン６とナイロン６６との組合せ、ＰＥＴとＰＣとの組合せやＰＣとＰＢＴとの組合せ等を挙げることができる。
【００２８】
本発明のレーザ溶着方法、レーザ溶着装置において、２つの部材の接触面に照射されるレーザ光の種類としては、レーザ光を透過させる透過樹脂材の吸収スペクトルや板厚（透過長）等との関係から適宜選定して用いることができる。例えば、ガラス：ネオジム３＋レーザ、ＹＡＧ：ネオジム３＋レーザ、ルビーレーザ、ヘリウム−ネオンレーザ、クリプトンレーザ、アルゴンレーザ、Ｈ２レーザ、Ｎ２レーザ、半導体レーザ等のレーザ光をあげることができる。より好ましいレーザとしては、ＹＡＧ：ネオジム３＋レーザ（レーザ光の波長：１０６０ｎｍ）や半導体レーザ（レーザ光の波長：５００〜１０００ｎｍ）をあげることができる。
【００２９】
また、レーザ光の出力は、１０〜９００Ｗであることが好ましい。レーザ光の出力が１０Ｗ未満では、出力が低く樹脂材の当接面を互いに溶融させることが困難となり、９００Ｗを超えると、出力が過剰となり樹脂材が蒸発したり、変質するという問題が生じるようになる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法およびレーザ溶着装置は、熱可塑性樹脂から構成された２つの部材の溶着を、高い溶着強度で、均一に溶着することができ、溶着性能を一定にできる。また、設備コストの低い低出力レーザを用いて、融点の高い樹脂部材でも高い溶着強度を得ることができ、強度ばらつきを低減することができる。さらに、溶着部にバリ等が発生せず、溶着された樹脂部材の品質を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明に係る熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着方法を実施するレーザ溶着装置の第１の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置の要部構成を示す図である。
【００３２】
図１において、本実施形態のレーザ溶着装置１は、レーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂から構成される第１の部材２と、レーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂から構成される第２の部材３とを接触させ、レーザ光で接触面４を溶融して接合するレーザ溶着装置である。そして、レーザ溶着装置１は、第１の部材２と第２の部材３との少なくとも接触面４を、その溶融温度より低い温度で予加熱する予加熱手段２０と、第１の部材２側からレーザ光を照射し第１の部材２と第２の部材３との接触面の少なくとも一方の接触面を溶融させるレーザ光発生器１０と、溶融された接触面４を、その溶融温度より低い温度で後加熱する後加熱手段２０Ａとを備えている。
【００３３】
予加熱手段２０は、２つの部材２，３を溶融しない程度の温度、例えばガラス転移温度（Ｔｇ）以上で加熱することができる。また、後加熱手段２０Ａも２つの部材２，３を溶融しない程度の温度に加熱するものである。予加熱手段および後加熱手段として、本実施形態では、２つの部材を収容するケーシング２１と、ケーシング内の空間を加熱するヒータ２２等の加熱手段とを備えており、予加熱と後加熱の２つに機能を兼用している。すなわち、２つの部材の接触面を溶融する前にヒータにより２つの部材を所定の温度まで昇温させ、溶融後にヒータにより溶融部を弱く加熱して急冷を防止して２つの部材を徐冷させることができる。
【００３４】
レーザ光発生器１０はレーザ発振器１１と、このレーザ発振器と光ファイバで接続されたレーザヘッド１２から構成され、レーザヘッドから照射されるレーザ光は、例えば波長が９４０ｎｍの半導体レーザであり、出力は１０〜９００Ｗ程度のものが好ましい。そして、このレーザヘッド１２には、溶着時に、このレーザヘッドを例えば０．１〜５ｍ／ｍｉｎ程度の加工速度で移動させる移動機構１３が連結されている。移動機構１３としては、レーザヘッド１２に産業用ロボットを接続した構成、二次元ステージや三次元ステージを用いて部材を移動させる構成、光学レンズとミラーとの組み合わせによる焦点位置を制御する構成、あるいは複数のレーザヘッドを用いて複数個所を同時照射する構成等を適宜用いることができる。
【００３５】
第１の部材２は、例えば、透過性熱可塑性樹脂材としてナイロン６ガラス強化材から形成されている。第２の部材３は、例えば、ナイロン６ガラス強化材にカーボンブラックあるいは着色材を混入した樹脂材から形成されている。吸収性熱可塑性樹脂材から構成された第２の部材３は、カーボンブラックあるいは着色材を混入させたことで、レーザ光に対して吸収性を持つようになっている。そして、第２の部材３はレーザ光を吸収することでレーザエネルギーを蓄積し発熱するものである。
【００３６】
レーザ溶着装置１は、２つの部材２，３に押圧力を付与して両部材を密着させるクランプ機構１５を備えている。このクランプ機構１５は、２つの部材２，３を溶着接合するときに、少なくとも一方の部材の接触面をレーザ光により溶融すると、溶融部が体積膨張して２つの部材が離れるのを防止するもので、２つの部材を均一に溶着することができる機能を有している。クランプ機構１５としては、ばね機構等により２つの部材を相互に押圧する構成のものや、ベース等に載置した２つの部材を上方から押圧する構成等を用いることができ、油圧等の流体圧で押圧する構成、圧縮空気で押圧する構成等を用いることができる。
【００３７】
第１の部材２を構成するレーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂材は、レーザ光の透過率が２０％以上のものが好ましく、より好ましくは５０％以上、さらに好ましくは８０％以上、特に好ましくは９０％以上である。第２の部材３を構成するレーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂材は、レーザ光の透過率が１０％以下、より好ましくは５％以下、さらに好ましくは１％以下である。第２の部材３を構成する樹脂材は、レーザ光をほとんど透過しないため、非透過性熱可塑性樹脂材ということもできる。第２の部材３は、レーザ光が照射されるとほとんど透過しないで吸収するため、その結果、第２の部材内にレーザ光のエネルギーが蓄積されて発熱する。
【００３８】
前記の如く構成された本実施形態の熱可塑性樹脂部材のレーザ溶着装置１の動作について以下に説明する。レーザ溶着装置１のケーシング２１内に第１の部材２と第２の部材３とを重ね、クランプ機構１５により２つの部材２，３を密着状態に押圧する。２つの部材の重ね方はレーザヘッド１２に透過性を有する部材２が対向するように載置する。ケーシング２１内のヒータ２２に通電するとケーシング内が高温状態となり、２つの部材２，３が予加熱されて所定の温度となる。この温度は２つの部材のガラス転移温度（Ｔｇ）以上の温度が好ましい。例えば、２つの部材の溶融温度が２００〜２５０℃程度で、ガラス転移温度は８０〜９０℃程度である。このようにして、２つの部材２，３の全体が予加熱される。
【００３９】
２つの部材２，３が均一に予加熱されたあと、レーザ発振器１１を作動させ、２つの部材の溶着領域にレーザヘッド１２からレーザ光Ｒを照射する。レーザ光Ｒはレーザ光を透過する第１の部材２側から接触面４に焦点が合った状態で照射される。レーザ光Ｒはレーザヘッド内の照射レンズで接触面に焦点が合わされているため、レーザ光を吸収する第２の部材３の上方の接触面４付近で発熱する。接触面に所定のレーザエネルギーが投入されると、第２の部材３の接触面４付近が溶融し、これに伴って第１の部材２の接触面も溶融し、両溶融部６が融合して第１の部材２と第２の部材３が融合する。このようにして、２つの部材の接触面４が溶融すると、レーザヘッド１２を移動させて溶融部６を延長させ、２つの部材の溶融部を連続させることができる。レーザ光による溶融は、２つの部材が予加熱手段２０により予め所定の温度まで予加熱されているため、低出力のレーザ光でも溶融状態を安定させることができる。
【００４０】
このあと、２つの部材２，３が急冷しないようにヒータ２２を作動させ、後加熱を行なう。この後加熱は、例えば、８０〜９０℃程度で加熱することで、２００〜２５０℃以上の溶融部が急激に低温となることを防止している。溶融部が急冷されると、結晶化度が低くなって溶着強度は低下するが、本発明では後加熱により徐冷させるため溶着部７の結晶化度を均一に上げることができ、結果として溶着強度の向上と、強度ばらつきの低減を達成することができる。また、溶着部７にバリが突出することがなく、溶着部の品質を高めることができる。なお、予加熱と後過熱はレーザ光を照射する間を含めて連続して行ってもよく、レーザ光発生器１０の作動中は中断してもよい。
【００４１】
本発明の第２の実施形態を図２に基づき詳細に説明する。図２は本発明に係るレーザ溶着装置の第２の実施形態の要部構成を示す図である。なお、この実施形態は前記した実施形態に対し、予加熱および後加熱を行なう手段が、２つの部材に温風を吹付けて供給する温風供給手段であることを特徴とする。そして、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４２】
図２において、この実施形態では、レーザ溶着装置１Ａは、予加熱手段と後加熱手段として機能する温風供給手段２５を備えている。温風供給手段は例えば図示していない電気ヒータとファンとを備えており、電気ヒータで発生させた熱を溶着しようとする２つの部材にファンで吹付けることで、２つの部材を予加熱あるいは後加熱するものである。電気ヒータの発熱量やファンの送風量は、溶着される部材によって適宜設定される。例えば、２つの部材が小さく、溶着部が狭い場合には電気ヒータの発熱量やファンの送風量は低く設定される。この実施形態の場合も、予加熱や後加熱の温度設定は２つの部材のガラス転移温度以上に設定されることが好ましい。
【００４３】
このように構成された第２の実施形態では、２つの部材２，３を溶着する際に温風供給手段２５を作動させて予加熱するため、２つの部材の温度変動を少なくすることができる。そして、予め加熱されているので低出力のレーザ光でも高融点の樹脂部材を均一に溶融することができる。レーザ光発生手段１０を作動させて２つの部材の少なくとも一方の接触面を溶融させた後、温風を供給して溶融部６を徐冷するため、溶着部７の結晶化度が均一に高まり、溶着強度が高く、強度ばらつきの低い溶着部を得ることができる。なお、２つの部材を予加熱する温風供給手段は、ケーシング内に温風を吹付けて収容されている２つの部材を加熱するように構成してもよいが、ケーシングを備えず、単に２つの部材に温風を吹付けるだけの構成でもよい。
【００４４】
本発明の第３の実施形態を図３に基づき詳細に説明する。図３は本発明に係るレーザ溶着装置の第３の実施形態の要部構成を示す図である。なお、この実施形態は前記した実施形態に対し、予加熱および後加熱を行なうと共に、第１および第２の部材２，３を加熱、溶融する加熱手段が、１つのレーザ光発生手段から発生したレーザ光を分光し、エネルギー密度の低い予加熱手段と、接触面を溶融するエネルギー密度の高い主加熱手段およびエネルギー密度の低い後加熱手段から構成されることを特徴とする。そして、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４５】
図３において、本実施形態のレーザ溶着装置１Ｂは、レーザ光発生手段３０のレーザヘッド３１から発生されたレーザ光を、中央部と移動方向の前側および後側に分光する光学手段としてレンズ３２を備えている。このレーザ光発生手段は、レーザヘッド３１から発生されたレーザ光をレンズ３２により分光し、低エネルギー密度の予加熱レーザ光としてガウシアン分布型の強度分布を有するレーザ光Ｒ１と、高エネルギー密度の主加熱レーザ光としてトップハット型の強度分布を有するレーザ光Ｒ２と、低エネルギー密度の後加熱レーザ光としてガウシアン分布型の強度分布を有するレーザ光Ｒ３とに分光する。予加熱レーザ光であるレーザ光Ｒ１は、移動機構１３による移動方向の前方側に位置し、後加熱レーザ光であるレーザ光Ｒ３は後方側に位置し、主加熱レーザ光であるレーザ光Ｒ２は中央部に位置している。分光手段はビームスプリッタ等、適宜の光学手段を用いることができる。
【００４６】
したがって、レンズ３２を通過したレーザ光のエネルギー分布は、中央部が高くトップハット型（強照度）であり、移動方向の前後側にガウシアンカーブ（弱照度）に沿って徐々に低くなるような、平面から見たとき移動方向に長い楕円状の分布となる。換言すると、中央部のレーザ光Ｒ２はエネルギー密度が高く、移動方向の前後側のレーザ光Ｒ１，Ｒ３はエネルギー密度が低くなっている。
【００４７】
高エネルギー密度のレーザ光Ｒ２はレーザ光を透過する第１の部材側から照射され、２つの部材２，３の接触面の少なくとも一方の面、具体的にはレーザ光を吸収する第２の部材，３の接触面を強力に加熱して溶融する。予加熱手段として機能する低エネルギー密度のレーザ光Ｒ１と後加熱手段として機能する低エネルギー密度のレーザ光Ｒ３は、２つの部材２，３の接触面を溶融しない程度のエネルギーが与えられる。予加熱レーザ光Ｒ１、後加熱レーザ光Ｒ３は、同じ出力でも、異なる出力でもよい。なお、溶着時間を短縮するため、予加熱手段の出力を後加熱手段の出力より大きくするようにしてもよく、２つの部材に合わせて適宜設定することができる。
【００４８】
このように構成されたレーザ溶着装置１Ｂは、レーザヘッド３１から照射されるレーザ光は光学手段３２で３つに分光され、レーザ光Ｒ１が２つの部材２，３の少なくとも接触面４を、図の左端側から溶融しない程度に加熱する。移動機構１３でレーザヘッドを移動させると、予加熱部５は延長され、予加熱部５にレーザ光Ｒ２が照射され接触面が溶融して溶融部６が形成される。移動機構によるレーザヘッドの移動に伴って予加熱部５と溶融部６が延長され、溶融部に後加熱用のレーザ光Ｒ３が照射される。このレーザ光が照射されると、溶融部６は急激に冷却されず、徐々に冷却されて溶着部７が形成される。レーザ光Ｒ３が２つの部材の右端側まで移動されると溶着動作は完了する。
【００４９】
このようにして溶着された第１の部材２と第２の部材３は、溶着に際して予加熱用のレーザ光Ｒ１で溶融しない程度、例えばガラス転移温度以上まで加熱され、温度変動が少なくなる。そして、レーザ光Ｒ２で溶融されると溶融状態が均一となり、部材の形状等の影響を受けずに均一に溶融する。このあと、後加熱用のレーザ光Ｒ３で加熱して緩やかに冷却されるため、結晶化度が均一に高まって溶着強度が向上する。そして、溶融状態が均一であるため、強度ばらつきが低減される。なお、低エネルギー密度の予加熱レーザ光Ｒ１と、後加熱レーザ光Ｒ３は、移動機構による移動速度を高めることで、すなわちレーザヘッドを高速移動させることで照射されるエネルギー密度を低くするように構成してもよい。また、低エネルギー密度の予加熱レーザ光Ｒ１と、後加熱レーザ光Ｒ３、およびレーザ光Ｒ２は、複数回照射することで、出力を調整するようにしてもよい。この実施形態では、１つのレーザ光発生器から発生させたレーザ光を分光して予加熱、主加熱および後加熱を行なうため、装置構成を簡略化することができる。
【００５０】
本発明の第４の実施形態を図４に基づき詳細に説明する。図４は本発明に係るレーザ溶着装置の第４の実施形態の要部構成を示す図である。なお、この実施形態は前記した実施形態に対し、予加熱、主加熱および後加熱を行なう手段３５が、それぞれレーザ光発生器を備えており、予加熱を行なうレーザ光発生器３６は低出力発生部であり、主加熱を行なうレーザ光発生器３７は高出力発生部であり、後加熱を行なうレーザ光発生器３８は低出力発生部であることを特徴とする。そして、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５１】
図４において、本実施形態のレーザ溶着装置１Ｃは、レーザ光発生手段３５を備えており、レーザ光発生手段は予加熱を行なうレーザ光発生器（第１の加熱手段）３６、主加熱を行なうレーザ光発生器（第２の加熱手段）３７、後加熱を行なうレーザ光発生器（第３の加熱手段）３８を備えている。レーザ光発生手段３５の主加熱を行なうレーザ光発生器３７は、トップハット型の強度分布を有するレーザ光Ｒ５を発生することでエネルギー密度の高い加熱を行なうことができる。この主加熱用のレーザ光発生器３７は、２つの部材２，３の接触面にトップハット型のレーザ光を第１の部材側から照射して、接触面の少なくとも一方の面、すなわち、レーザ光を吸収する第２の部材３の表面を強力に加熱して溶融することができる。
【００５２】
予加熱を行なうレーザ光発生器３６、および後加熱を行なうレーザ光発生器３８は、ガウシアン分布型の強度分布を有する予加熱レーザ光Ｒ４、後加熱レーザ光Ｒ６を発生することでエネルギー密度の低い加熱を行なうことができる。予加熱および後加熱を行なうレーザ光発生器３６，３８は２つの部材２，３の接触面にガウシアン分布型の強度分布を有するレーザ光を照射して、接触面を加熱する。このレーザ光Ｒ４，Ｒ６は樹脂を溶融するほどのエネルギーを有していないため、接触面付近を例えばガラス転移温度以上に加熱して軟化させることが好ましい。３つのレーザ光発生器は所定の間隔を有して連結されており、図示していない移動機構により２つの部材に沿わせて移動される。
【００５３】
この実施形態では、第１および第２の部材２，３を溶着するとき、先ず第１の加熱手段を構成するレーザ光発生器３６で、２つの部材２，３の接触面に予加熱レーザ光Ｒ４を第１の部材２側から照射し、レーザ光は第２の部材３に吸収されて発熱し予加熱される。この発熱により接触面が溶融しない程度の温度に加熱される。移動機構１３により予加熱された個所は徐々に移動し、予加熱部５にレーザ光発生器３７からエネルギー密度の高いレーザ光Ｒ５が照射され、接触面の少なくとも一方の面が加熱され溶融する。溶融部６が融合して２つの部材が溶着され、移動機構により溶着部は増えていく。
【００５４】
このあと溶着部に対してレーザ光発生器３８からエネルギー密度の低い後加熱レーザ光Ｒ６が照射され、溶着部の急冷を防止するように加熱して徐冷がなされる。移動機構により徐冷個所が徐々に増えていく。このように、レーザ光発生器３６からのレーザ光Ｒ４により接触面が予加熱され、このあとレーザ光発生器３７からのレーザ光Ｒ５により接触面が溶融され、さらにレーザ光発生器３８からのレーザ光Ｒ６により徐冷されることで、２つの部材２，３は溶着される。溶着部はレーザ光Ｒ４により予加熱されて温度変動が少ない状態でレーザ光Ｒ５により溶融され、溶融後にレーザ光Ｒ６により徐冷されるため、結晶化度が向上すると共に均一となり溶着強度が向上し、強度ばらつきを低減できる。なお、レーザ光Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６は、トップハット分布型やガウシアン分布型に限らず、レーザ光の出力を変えてレーザ光Ｒ５のエネルギー強度を高く、レーザ光Ｒ４，Ｒ６のエネルギー強度を低くしてもよい。この実施形態では、３つのレーザ光発生器のエネルギー密度を調整することで予加熱、主加熱、後加熱の加熱量を任意に調整できるため、２つの部材の形状や容積に応じて最適な溶着を行なうことができる。
【００５５】
本発明の第５の実施形態を図５に基づき詳細に説明する。図５は本発明に係るレーザ溶着装置の第５の実施形態の要部構成を示す図である。図５において、レーザ溶着装置１Ｄは、加熱手段を構成するレーザ光発生手段４０として、予加熱を行なうレーザ光発生器４１と、主加熱を行なうレーザ光発生器４２と、後加熱を行なうレーザ光発生器４３とを備えている。予加熱を行なうレーザ光発生器４１はレーザ光を透過する第１の部材２側からレーザ光を照射し、レーザヘッドの照射レンズの焦点が２つの部材２，３の接触面と一致しないように設定され、予加熱レーザ光Ｒ７は接触面の上方に集光しており、接触面でのエネルギー密度が低くなっている。
【００５６】
主加熱を行なうレーザ光発生器４２はレーザヘッドの照射レンズの焦点が接触面と一致して合焦状態であり、接触面でのエネルギー密度が高く、レーザ光Ｒ８は第１の部材２側から照射され接触面を加熱溶融できる。後加熱を行なうレーザ光発生器４３は、同様に第１の部材２側からレーザ光を照射し、レーザヘッドの照射レンズの焦点が接触面と一致していないように設定され、後加熱レーザ光Ｒ９は接触面の上方に集光しており、接触面でのエネルギー密度が低くなっている。そして、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５７】
このように構成されたレーザ溶着装置１Ｄは、予加熱を行なうレーザ光発生器４１から照射された予加熱レーザ光Ｒ７は接触面と焦点が一致せず、ぼかした状態でレーザ光が照射されるため、エネルギー密度が低く予加熱が行なわれ、２つの部材２，３の接触面は溶融せずに予加熱を行なわれ予加熱部５が形成される。そして、主加熱を行なうレーザ光発生器４２から照射されたレーザ光Ｒ８は２つの部材２，３の接触面と焦点が一致しているため、レーザ光がスポット的に集中してエネルギー密度が高いため接触面が急激に発熱して溶融し、溶融部６が形成される。しかも、主加熱の前に予加熱されて温度が一定に保持されているため、溶融温度が安定して溶融状態が均一となる。
【００５８】
このあと、後加熱を行なうレーザ光発生器４３から照射された後加熱レーザ光Ｒ９により溶融部６を低いエネルギー密度で加熱し、溶融部が急激に冷却するのを防止して徐冷し、溶着部７が形成される。これにより溶融部が冷却された溶着部７の結晶化度が均一に高まり、溶着強度を向上させることができる。また、溶融状態が均一であるため、溶着強度のばらつきを少なくすることができる。この実施形態では、３つのレーザ光発生器の上下位置を調整することで予熱する予加熱、接触面の少なくとも一方の面を溶融する主加熱、および溶融部を徐冷する後加熱を行なうことができ、予加熱、主加熱、後加熱の加熱量を自由に設定することができる。
【００５９】
本発明の第６の実施形態を図６に基づき詳細に説明する。図６は本発明に係るレーザ溶着装置の第６の実施形態の要部構成を示す図である。なお、この実施形態は前記した実施形態に対し、１つのレーザ光発生手段を用いて接触面を溶融する主加熱と、溶融部を徐冷する第１の後加熱および第２の後加熱を行なうことを特徴としている。すなわち、１つのレーザヘッドから照射されるレーザ光を、レーザ光を透過する第１の部材側から照射し、２つの部材の接触面に焦点合わせした状態で主加熱し、そのあと、同じレーザヘッドから照射されるレーザ光の焦点をずらした状態で第１の後加熱を行ない、さらに、同じレーザヘッドから照射されるレーザ光の焦点をよりずらした状態で第２の後加熱を行なう。
【００６０】
図６において、レーザ溶着装置１Ｅは、２つの部材２，３の接触面の少なくとも一方の接触面を溶融させるレーザ光発生器５０と、レーザ光発生器を移動させると共に、発生されるレーザ光の焦点位置を調整する焦点調整移動手段５１とを備え、レーザ光の焦点位置を調整して、接触面を加熱するエネルギー密度を調整している。すなわち、焦点調整移動手段５１は、レーザ光発生器５０のレーザヘッドを水平方向に移動させると共に、上下動させることができるように構成されており、レーザヘッドから照射されるレーザ光の焦点位置を移動させることができるように構成されている。そして、レーザ光の焦点位置を調整することにより、焦点が一致してエネルギー密度の高い加熱を行なうと共に、焦点をずらして広い面積を照射することでエネルギー密度の低い加熱を行なうことができる構成となっている。
【００６１】
このように構成されたレーザ溶着装置１Ｅは、２つの部材２，３を溶着するときには、先ずレーザ光発生器５０のレーザヘッドから照射されるレーザ光の焦点を接触面に合わせた状態でレーザ光Ｒ１０を第１の部材側から照射させ、高いエネルギー密度で加熱することで接触面の少なくとも一方の面を溶融させる。そして、レーザ光発生器５０のレーザヘッドを水平方向に移動させて溶融部６を延長し、所定のストロークだけ移動させた後、溶融工程を終了しレーザ光の照射を止めて元位置にレーザヘッドを復帰させる（第１走査）。
【００６２】
このあと、焦点調整移動機構５１によりレーザヘッドを上昇させ、照射されるレーザ光Ｒ１１の焦点と接触面とをずらしてレーザエネルギーの集中する位置を接触面から上方の位置に合わせ、低いエネルギー密度で第１の後加熱を行なう（第２走査）。第１の後加熱は、溶融された接触面の樹脂がガラス転移温度以上のときに行う必要がある。このように、レーザ光Ｒ１１の集中する位置を接触面からずらした状態でレーザ光を照射しながら水平方向に移動させると、溶融された個所に低密度のレーザエネルギーが供給され、溶融部の急冷を防止して徐冷することによりガラス転移温度以上のエネルギーが供給される時間を延長できるため、結晶化度を均一に高めた溶着部７を形成することができる。焦点調整移動機構５１により、所定のストロークだけレーザヘッドを移動させ、第１の後加熱を終了してレーザヘッドを元位置に復帰させる。
【００６３】
このあと、焦点調整移動機構５１によりレーザヘッドをさらに上昇させ、照射されるレーザ光Ｒ１２の焦点と接触面とをより大きくずらしてレーザエネルギーの集中する位置を接触面４からさらに上方の位置に合わせ、低いエネルギー密度で第２の後加熱を行なう（第３走査）。第２の後加熱も、溶融された接触面の樹脂がガラス転移温度以上のときに行う必要がある。このように、レーザ光Ｒ１２の集中する位置を接触面４から、より大きくずらした状態でレーザ光を照射しながら水平方向に移動させると、溶融された個所にさらに低密度のレーザエネルギーが供給され、溶融部はより緩やかに徐冷され、徐冷時間を大幅に延長することができ、ガラス転移温度以上の状態を長く継続できるため、結晶化度をさらに均一に高めた緻密な高結晶化溶着部８を形成することができる。
【００６４】
このように、第６の実施形態では、主加熱を行なうときにはレーザヘッドの照射レンズの焦点が接触面と一致し、合焦状態でレーザヘッドにより２つの部材の接触面を強力に加熱して溶融し、両部材２，３を溶着する。溶融部の温度は２００〜２５０℃程度であり、このあとレーザヘッドの照射レンズの焦点が２つの部材の接触面と一致しない状態で第１の後加熱を行なうことにより緩やかに加熱することで溶融部を徐冷する。そして、さらに焦点をずらした第２の後加熱を行ない、溶融部をさらに緩やかに加熱することで、溶融部がガラス転移温度以上の状態を長く維持できるため、溶融部の結晶化度を均一に高めることができる。このように、溶着部の冷却を２回にわたり緩やかに加熱することで溶着部の高結晶化が可能となり、溶着強度をさらに向上でき、強度ばらつきの更なる低減が可能となる。なお、この実施形態ではレーザヘッドを３回走査する例を示したが、周回状に走査してレーザヘッドを３周移動させるように構成してもよい。
【００６５】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、レーザ光発生手段を構成するレーザ発振器とレーザヘッドを一体化して、ケーシング内に移動自在に設置してもよい。また、レーザ光発生手段を移動させる方向は一直線状の例を示したが、曲線状に移動させてもよく、周回状に移動させて元位置に戻るように移動させてもよい。
【００６６】
熱可塑性樹脂として前記したものの他に、汎用熱可塑性樹脂、汎用エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチック、熱可塑性エラストマー等を用いることもできることは勿論である。また、第１の部材を構成するレーザ光を透過する透過性熱可塑性樹脂は透過率が高く、第２の部材を構成するレーザ光を吸収する吸収性熱可塑性樹脂は透過率が低いことが好ましく、２つの部材の透過率の差が大きいことが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、レーザ光の透過率が異なる透過性熱可塑性樹脂製の第１の部材と、吸収性熱可塑性樹脂製の第２の部材とを選択して、溶着強度を向上でき、強度ばらつきを低減できる溶着が可能であり、また、溶着部にバリ等が発生せず、溶着部の品質を高めることができるため、種々の樹脂製品や樹脂部品の溶着に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係るレーザ溶着装置の第１の実施形態の要部構成図。
【図２】本発明に係るレーザ溶着装置の第２の実施形態の要部構成図。
【図３】本発明に係るレーザ溶着装置の第３の実施形態の要部構成図。
【図４】本発明に係るレーザ溶着装置の第４の実施形態の要部構成図。
【図５】本発明に係るレーザ溶着装置の第５の実施形態の要部構成図。
【図６】本発明に係るレーザ溶着装置の第６の実施形態の要部構成図。
【符号の説明】
【００６９】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ：レーザ溶着装置、２：第１の部材（透過性熱可塑性樹脂部材）、３：第２の部材（吸収性熱可塑性樹脂部材）、４：接触面、５：予加熱部、６：溶融部、７：溶着部、８：高結晶化溶着部、１０，３０，３５，３６，３７，３８，４０，４１，４２，４３，５０：レーザ光発生器、１１：レーザ発振器、１２，３１：レーザヘッド（レーザ光発生部）、１３：移動機構、１５：クランプ機構、２０：予加熱手段、２０Ａ：後加熱手段、２１：ケーシング、２２：ヒータ（加熱手段）、２５：温風供給手段、３２：レンズ（光学手段）、５１：焦点調整移動機構、Ｒ，Ｒ２，Ｒ５，Ｒ８，Ｒ１０：レーザ光、Ｒ１：予加熱レーザ光、Ｒ３，Ｒ１１，Ｒ１２：後加熱レーザ光、Ｒ４，Ｒ７：予加熱レーザ光（予備レーザ光）、Ｒ６，Ｒ９：後加熱レーザ光（予備レーザ光）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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